谷樹超，王 松，李 俊

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

給水泵作為電站設(shè)備主要輔機之一，其安全平穩(wěn)運行，對提高整個機組經(jīng)濟性及安全性起著至關(guān)重要的作用[1]，給水泵核心部件泵軸因承載較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或因運行工況的惡化和設(shè)計、材質(zhì)不良等原因，難免會發(fā)生泵軸斷裂失效事故[2-5]，嚴(yán)重影響機組運行安全。

某300MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)鍋爐給水泵泵軸斷裂失效，水泵型號FT7C40，為雙壓定速、7級離心水泵，設(shè)計流量434.4t/h，電機功率2700kW，電壓6000V，轉(zhuǎn)速2980r/min。給泵泵軸通過平鍵連接，進行扭矩傳遞。根據(jù)水泵產(chǎn)品質(zhì)量說明書，失效泵軸標(biāo)稱材質(zhì)為17-4PH馬氏體不銹鋼，熱處理方式為1050℃固溶(solution treatment, ST)+520℃時效(aging treatment, AT)處理，服役時間約7.5萬h。

本文在對斷裂泵軸進行失效分析的基礎(chǔ)上，選取供貨態(tài)17-4PH合金馬氏體不銹鋼(以下簡稱“供貨態(tài)試樣”，其熱處理方式和失效泵軸熱處理方式一致)作為對比試樣，對其顯微組織、力學(xué)性能及強化機理進行了系統(tǒng)的研究，并對失效泵軸與其顯微組織和力學(xué)性能之間的差異進行了對比分析。

1 實驗儀器與方法

按照標(biāo)準(zhǔn)《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》(GB/T4336-2016)，使用SPECTROMAXx全定量金屬元素分析儀對試樣合金成分進行分析。利用Stemi 508體式顯微鏡系統(tǒng)對合金斷口進行低倍觀察，按照標(biāo)準(zhǔn)《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T884-2019)，使用氯化鐵鹽酸溶液對試樣進行腐蝕后，利用Axio Oberver.D1m倒置萬能材料顯微鏡對合金進行金相組織觀察。利用掃描電子顯微鏡、高分辨率透射電鏡系統(tǒng)對合金微觀組織、微區(qū)EDS能譜、析出相形貌及尺寸進行觀察分析，所使用的掃描電鏡為FEI公司生產(chǎn)的Quanta FEG450型高分辨掃描電子顯微鏡，其加速電壓200V～30kV，最大束流200nA。透射電鏡為FEI公司生產(chǎn)的場發(fā)射TECNAI F30透射電子顯微鏡，加速電壓為300kV。

TEM樣品制作過程為：首先使用線切割技術(shù)在各管樣基體上截取0.3mm厚的試樣，然后研磨、沖孔得到厚度為80～100μm、直徑為3mm的圓片，最后利用MTP-1A電解雙噴儀對上述圓片進行減薄、腐蝕，雙噴電壓為45V。

按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬布氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》(GB/T231.1-2018)，利用UH250布洛維臺式硬度計對試樣進行硬度試驗，試驗中力值設(shè)定為125.0kgf，壓頭直徑2.5mm，保持時間10s。按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法 》(GBT228.1-2010)對各試樣進行機械加工，制取常溫棒狀拉伸試樣，然后使用C45.305微機控制電子萬能試驗機，對加工后各試樣進行常溫靜態(tài)拉伸試驗，并測試其抗拉強度、屈服強度和伸長率指標(biāo)，拉伸試驗參數(shù)為GB/T228A224，即拉伸控制模式為應(yīng)變速率控制，應(yīng)變速率以平行長度估算，分別為0.00025S-1(屈服強度之前)和0.00067S-1(屈服強度之后)。為減小試驗誤差和偶然數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，所有拉伸試驗設(shè)計三組平行試樣并取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

失效泵軸斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖可知，泵軸斷裂位置發(fā)生在自由端并進螺母位置、螺紋連接處，斷面呈黑灰色，斷面高低落差較大，邊緣區(qū)域有多處扇形臺階分布，且每個臺階面相對較平細(xì)，呈多源啟動的彎曲旋轉(zhuǎn)斷裂特征。進一步觀察，“6 點鐘”方向斷面相對平細(xì)，隱約可見由外向內(nèi)擴展的條紋；“2 點鐘”方向臺階較為明顯，同時可見由外向內(nèi)擴展的條紋；斷面中部近“10 點鐘”方向相對粗糙，起伏大，擬為終斷區(qū)域。

圖1 失效泵軸斷口宏觀形貌

2.2 斷口掃描電鏡分析

泵軸斷口典型區(qū)域SEM照片如圖2所示。6點鐘方位斷面可見有擠壓擦傷，斷面邊緣沿螺紋根部分布，可見多個小臺階，隱約可見由外向內(nèi)擴展的條紋(圖2(a))，高倍下斷口呈準(zhǔn)解離形貌，并明顯可見平行的疲勞條帶(圖2(b))。2點鐘方位斷面形貌可見準(zhǔn)解理和沿晶斷裂形貌，并有少量擦傷，局部可見微裂紋存在。泵軸斷裂起始區(qū)未見明顯的冶金缺陷，來樣泵軸斷面特征顯示為多源啟動的疲勞擴展斷裂。

圖2 斷口微區(qū)掃描電鏡形貌

2.3 化學(xué)成分分析

對失效泵軸和供貨態(tài)試樣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。由表1分析可知，失效泵軸C元素含量較高，合金元素尤其是Ni、Cu元素含量嚴(yán)重不足(分別較正常供貨態(tài)含量低4%和3%)，供貨態(tài)試樣各元素含量均在不銹鋼棒(GB/T1220-2007)范圍之內(nèi)。由此可判斷，失效泵軸材質(zhì)并非17-4PH馬氏體不銹鋼，存在材質(zhì)錯用現(xiàn)象。

表1 失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣化學(xué)成分 wt%

2.4 金相組織分析

失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣光學(xué)顯微照片如圖3所示。由圖可知，失效泵軸組織不均，呈現(xiàn)明顯的偏析現(xiàn)象，金相顯微組織由粗大的馬氏體、較多的殘余奧氏體和鐵素體組成，部分區(qū)域鐵素體呈塊狀分布(圖3(a)～3(c))。

分析表明，失效泵軸組織殘余奧氏體含量較高，與材質(zhì)中較多的含碳量有關(guān)[7-9]，由于碳是主要的奧氏體穩(wěn)定元素，奧氏體中的含碳量越高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(Ms～Mf)越低[10-12]，文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果表明，當(dāng)碳含量為0.25%，碳當(dāng)量為4.08%，Ms僅為45.3℃。失效泵軸顯微組織偏析及塊狀鐵素體的存在，均會破壞組織的均勻性，降低材料的強度和韌性，加速材料的失效斷裂[14-15]。供貨態(tài)17-4PH組織光學(xué)顯微鏡下，組織細(xì)小均勻，為馬氏體和少量殘余奧氏體組成，并可見基體彌散分布的第二相析出顆粒(圖3(d))。

圖3 失效泵軸和供貨態(tài)試樣金相組織

2.5 掃描電鏡及透射電鏡分析

對失效泵軸進行SEM分析及微區(qū)EDS分析，其結(jié)果如圖4、圖5所示；其高分辨率透射電鏡場像、顯微圖片和選區(qū)電子衍射分析結(jié)果如圖6所示。

圖4 失效泵軸SEM圖片和EDS能譜分析

圖5 失效泵軸微區(qū)元素分布

圖6 失效泵軸透射電鏡照片

由圖4、圖5可知，失效泵軸組織原奧氏體晶界清晰可見，原奧氏體晶粒內(nèi)，可見有沿不同方向排列的粗大馬氏體板條，相同慣習(xí)面的馬氏體板條平行排列，不同慣習(xí)面的馬氏體束與束之間角度約為60°。原奧氏體晶界和馬氏體晶界有較大尺寸的析出物，析出物聚集長大，最大析出物長軸尺寸接近1μm，并呈鏈狀分布，SEM照片顯示晶界或晶粒內(nèi)部未見明顯的其他沉淀強化相存在。

通過對圖4(c)所示的A、B、C三個微區(qū)進行EDS能譜分析，可以看出尺寸較大的析出物主要為富Cr的碳化物。晶界碳化物尺寸較小時，可以阻礙晶界滑移，起到一定的強化作用，但碳化物的大量析出、長大，并呈鏈狀分布在晶界時，則會對晶界起弱化作用，致使界面結(jié)合強度降低，從而容易引起沖擊吸收能量和塑性降低，成為斷裂失效的發(fā)源地[16-19]。

由圖6可知，失效泵軸馬氏體板條邊界含有大量粗化的碳化物，碳化物形貌顯示為長棒狀，并呈鏈狀連續(xù)分布。碳化物經(jīng)電子衍射標(biāo)定為面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6碳化物。從圖6中還可以看出，馬氏體板條的寬度約為0.5μm，部分區(qū)域馬氏體板條結(jié)構(gòu)已發(fā)生碎化，位錯密度降低，且位錯主要分布在馬氏體板條邊界位置的粗大碳化物附近。通過透射電鏡明場像和暗場像對比分析，失效泵軸組織未見其它明顯的沉淀強化相存在，晶界上粗大的碳化物對周圍位錯的釘扎作用是決定失效泵軸具有一定力學(xué)強度的主要因素[20-23]。

圖7為供貨態(tài)17-4PH掃描電鏡圖片及微區(qū)能譜分析結(jié)果，由上述SEM照片可知，供貨態(tài)17-4PH組織細(xì)小均勻，由馬氏體和殘余奧氏體組成，高倍照片(×100000)下，清晰可見板條馬氏體組織中所顯露的立體分布形態(tài)[24]，在同一原奧氏體晶粒內(nèi)包含有幾條較為稠密的馬氏體束，馬氏體束之間被高度變形的殘余奧氏體薄膜所隔開，同一板條內(nèi)的馬氏體在空間形態(tài)內(nèi)呈現(xiàn)一致的位向生長關(guān)系，如圖7(b)、7(c)所示。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，馬氏體基體內(nèi)彌散分布有球形的析出相存在，析出相尺寸范圍大約在幾十nm至400nm之間，EDS分析顯示，較大的析出相(區(qū)域A、區(qū)域B)為富Nb相，Nb含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)12.85%，明顯高于基體的Nb含量(0.28%)，圖8所示的微區(qū)Nb元素面掃描結(jié)果也證實了上述區(qū)域彌散分布的合金化合物為富Nb相。區(qū)域C各元素含量與基體宏觀化學(xué)成分基本一致，這與能譜分析結(jié)果一致，相應(yīng)EDS能譜分析結(jié)果如圖7(d)～7(f)所示。

圖9為供貨態(tài)17-4PH試樣透射電鏡明場顯微組織照片，可以看到明顯的馬氏體板條結(jié)構(gòu)和高密度的位錯結(jié)構(gòu)，板條寬度約0.5μm(見圖8(a))，經(jīng)電子衍射分析，較大的球形析出物為fcc結(jié)構(gòu)的NbC沉淀相，其點陣常數(shù)約為0.447nm，顆粒大小為100nm左右，較小的析出物為fcc結(jié)構(gòu)的ε-Cu沉淀相，顆粒大小約幾十nm，并與bcc結(jié)構(gòu)的馬氏體保持嚴(yán)格的共格(K-S)關(guān)系[25]。上述兩種類型、不同尺寸的沉淀合金相彌散分布在合金基體中，通過對位錯的釘扎作用，為合金提供強化作用[26]。

圖8 失效泵軸微區(qū)元素分布

圖9 供貨態(tài)17-4PH透射電鏡明場照片

圖10為供貨態(tài)17-4PH試樣其他區(qū)域透射電鏡明場像和暗場像照片，從圖中也可以看出，供貨態(tài)17-4PH試樣至少含兩種大小不一的沉淀強化相，尺寸較大的為NbC相，尺寸較小的為ε-Cu相，兩種沉淀強化相的數(shù)量及形態(tài)特征與以往相關(guān)研究相符[12-13]。

圖10 供貨態(tài)17-4PH透射電鏡照片：(a)(c)明場像； (b)(d)暗場像

2.6 力學(xué)性能分析

對失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH試樣進行硬度試驗和室溫(25℃)靜拉伸試驗，其試驗結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出，失效泵軸材質(zhì)硬度和強度明顯低于供貨態(tài)17-4PH試樣，也不滿足GB/T1220-2007對于該材料的最低強度要求(620℃時效時的最低屈服強度725MPa，最低抗拉強度930MPa)，從材料強度指標(biāo)方面證實失效泵軸材質(zhì)欠佳。另一方面，供貨態(tài)17-4PH強度指標(biāo)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)使用要求，無論是硬度還是靜拉伸顯示的強度指標(biāo)與以往的研究基本一致[27-28]。

圖11 失效泵軸和供貨態(tài)17-4PH硬度和拉伸性能

2.7 綜合分析

17-4PH鋼主要靠固溶后的馬氏體相變強化和時效處理產(chǎn)生共格沉淀相提供強化作用[29]。而彌散分布的NbC、ε-Cu等納米沉淀相是其強度的主要來源。由失效泵軸化學(xué)成分分析結(jié)果可知，泵軸材質(zhì)化學(xué)成分C含量較高，Cr、Ni、Cu等合金元素含量大幅度偏低，失效泵軸存在材質(zhì)錯用現(xiàn)象，這一方面會減小不銹鋼熱處理時的奧氏體區(qū)，使合金微觀組織鐵素體含量偏高，另一方面也會減弱合金元素的彌散強化作用，使合金力學(xué)性能進一步明顯降低。由金相分析可知，泵軸微觀組織晶粒較為粗大，且含有較高含量的鐵素體和殘余奧氏體，這既有損于合金強度，也使其耐蝕性能降低。而力學(xué)性能試驗證實，失效泵軸材質(zhì)無論硬度、屈服強度和抗拉強度均大幅低于17-4PH材料下限。綜上分析，給水泵泵軸材質(zhì)的錯用使泵軸綜合力學(xué)性能降低，引起承載極限降低，在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致泵軸斷裂失效。

3 結(jié)論

(1)給泵泵軸材料錯用和較多的鐵素體和殘留奧氏體的存在, 以及不能有效析出沉淀強化相，降低了材料的綜合性能, 這是引起泵軸早期疲勞斷裂的主要原因。

(2)失效泵軸顯微組織較供貨態(tài)17-4PH材料存在明顯的差異，其力學(xué)性能亦顯著降低，供貨態(tài)17-4PH試樣細(xì)小均勻的馬氏體柱狀結(jié)構(gòu)，彌散分布的NbC、ε-Cu等納米沉淀相是引起材質(zhì)強度升高的主要原因。

(3)在日常生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)材料的成分控制和材料驗收管理，加強日常的金屬監(jiān)督工作。